Спосіб нанесення покриттів на основі нітридів металів у вакуумі на вироби з діелектричних матеріалів

1. Спосіб нанесення покриттів на основі нітридів металів у вакуумі на вироби з діелектричних матеріалів, що включає формування потоку металевої плазми за допомогою вакуумно-дугового розряду у схрещених електричному і магнітному по 38393 міцність і колір нерозривно зв'язані між собою, тому можливість маніпулювань дуже обмежується, після обпалення потрібне довготривале охолодження. Всі ці обставини призвели до не дуже широкого застосування такого способу в промисловості. Відомий також найбільш близький за технічною суттю до винаходу спосіб нанесення покриттів на основі нітридів металів у вакуумі на вироби з діелектричних матеріалів (див.: Патент України № 15555 М. Кл. 5С23С14/32, опубл. 30.06.1997. Бюл. № 3), згідно з яким формують потік металевої плазми за допомогою вакуумно-дугового розряду у схрещених електричному і магнітному полях у розрідженій атмосфері азоту з добавкою електронегативного газу, розташування виробу у плазмовому потоці і конденсацію потоку плазми при подачі на виріб негативного потенціалу, причому в процесі конденсації додатково напускають в технологічний об'єкт водень при загальному тиску суміші від 2 до 10 Па і концентрації водню у суміші в межах 0,2-5%. Недоліком такого способу нанесення покриттів за прототипом слід вважати наступне. Оскільки діелектричним матеріалам, з яких виготовлені вироби, що серійно випускаються нашою промисловістю властива дрібнодисперсійна пористість (до 10 об.% і більше), вони мають властивість всмоктувати атмосферну вологу та інші органічні забруднення. Тому внаслідок дії плазми дугового розряду на вироби відбувається нагрівання виробів до температури, що перевищує 100°С і, як наслідок, вже на самій ранішній стадії конденсації атмосферного потоку металу можна спостерігати інтенсивне газовиділення з пор, яке є перепоною для протікання процесу конденсації і яке за цієї причини породжує низьку адгезійну міцність початкового шару матеріалу покриття до основи і тільки в подальшому після формування певної товщини покриття інтенсивність газовиділення поступово зменшується, але з часом виготовлені вже вироби після взаємодії з атмосферою і температурними перепадами можуть мати повне чи часткове відшарування покриття. Частина виробів відбраковується зразу ж після виготовлення. Таке руйнування покриття відбувається, за умов, коли значення внутрішніх напруг в покритті дорівнюють або перевищують значення адгезійної міцності покриття до основи. В основу винаходу поставлено задачу такого удосконалення способу нанесення покриттів на основі нітридів металів у вакуумі на вироби з діелектричних матеріалів, при якому за рахунок нанесення перед формуванням потоку металевої плазми допоміжного шару чистого металу, забезпечується підвищення адгезійної міцності покриття до основи, і як наслідок, поліпшення якості виробів, зменшення рівня браку, а отже, підвищення виходу годної продукції і можливість довготривалого використання виробів із стабільними експлуатаційними характеристиками. Для рішення цієї задачі в способі нанесення покриттів на основі нітридів металів у вакуумі на вироби за діелектричних матеріалів, що включає формування потоку металевої плазми за допомогою вакуумно-дугового розряду у схрещених електричному і магнітному полях у розрідженій атмос фері азоту, розташування виробу у плазмовому потоці і конденсацію потоку плазми, згідно з винаходом, попередньо перед формуванням потоку металевої плазми на виріб наносять допоміжний шар чистого металу шляхом його магнетронного розпилювання у середовищі інертного газу, оптимальним є, коли нанесення на виріб допоміжного шару металу і формування потоку металевої плазми здійснюють у єдиній вакуумній камері, а допоміжний шар металу наносять товщиною щонайбільше 0,05 мкм. Причинно-наслідковий зв’язок між сукупністю ознак, що заявляється і технічними результатами, які досягаються при її реалізації, полягає у наступному. У запропонованому нами способі проблема підвищення адгезійної міцності вирішується за рахунок попереднього створення допоміжного шару чистого металу (титану чи цирконію) товщиною до 0,05 мкм, який наносять магнетронним методом в атмосфері інертного газу, який по своїй фізичній суті не приводить до нагрівання виробів, а тому не визиває створення двох зустрічних потоків: металевого - на виріб і газового - з пор виробу. Зв'язок цієї технологічної операції, вперше запропонованої нами, з наступною базується саме на створенні такого ефекту, коли допоміжний шар дає можливість запобігти зворотного потоку газу, як наслідок, вдається підвищити адгезійну міцність матеріалу покриття до основи, що призведе до значного поліпшення якості виробів, зниженню рівня браку підвищенню виходу годної продукції. А можливість проведення процесу в єдиній вакуумній камері додатково забезпечить економічність процесу; скорочення часу його протікання і затрат енергії, тим більш, що час протікання процесу зменшиться також і за рахунок малих товщин: до 0,5 мкм - допоміжного і до 1 мкм - основного шару покриття. Приклад конкретної реалізації способу нанесення покриттів на основі нітридів металів у вакуумі на вироби з діелектричних матеріалів. Для реалізації цього способу використовували відому вакуумну установку моделі ВУ-1100 "Д" виробництва Сморгонського заводу оптичного станкобудування (Білорусь). Покриття наносили на виріб з фарфору - вазу. Фарфор заводу - виробники м. Борислав. Перед нанесенням покриття здійснювали дослідження хімічного складу поверхні фарфорового черепка, структури і якості поверхні (наявності недосконалостей, включень), які складали. Дослідження проводились методом растрової електронної мікроскопії і рентгеноструктурного мікроаналізу на мікроаналізаторі "CamScan-4 Dv", фізична суть якого полягає в генерації рентген випромінювання при падінні первинного електронного пучка на поверхню зразка, що вивчається. Крім того, було проведено дослідження пористості зразка з цього фарфору. Було виміряно коефіцієнт тріщиностійкості Кiс, який дорівнював 1,7 кг/м3/г. Як матеріал для покриття використовували нітрид титану - TIN, який може бути заміною забарвника - "рідке золото" і має цінні переваги над іншими: висока зносо- і корозійна стійкість, нетоксичність. 2 38393 0,05 мкм, тиск аргону складав 1×10-1 Па при струмі розряду 18А і напрузі на підложках порядку 500 В. Потім в цій самій камері (хоча можливо і в іншій) починали процес нанесення покриттів за допомогою вакуумно-дугового розряду, який запалюють між катодом і анодом у схрещених електричному і магнітному полях у розрідженій атмосфері азоту, формували потік металевої плазми титану з такими технологічними параметрами: струм вакуумної дуги –100 А, тиск азоту в камері 2·10-1 Пa, час нанесення покриття товщиною 1 мкм складав 20 хв. В результаті проведених досліджень адгезійної міцності покриття до основи було з'ясовано, що адгезійна міцність покриття отриманого за запропонованим способом складала не менше 5 кг/мм2, що в 5-8 разів більше, ніж за прототипом і за іншими існуючими технологіями. Використана для здійснення цього процесу установка має камеру об'ємом 2 м3, в якій знаходяться електрод тліючого розряду, два магнетрони довжиною 1460 мм катод дугового джерела плазми довжиною 1600 мм. Для отримання рівномірного покриття вироби розміщували на підложках карусельної установки з подвійним планетарним обертанням. Спочатку камеру відкачували до високого вакууму (Р£10-3 Па) і здійснювали очистку поверхні виробів від тонких плівок окислів і сорбованих газів відомим способом - тліючим розрядом у середовищі залишкової атмосфери при тиску 8×10-1 Па, напрузі на електроді тліючого розряду 2 kV і струмі 250 мА протягом 10 хв. Після цього шляхом магнетронного розпилення в середовищі аргону (можливе використання будь якого інертного газу) на вироби наносили допоміжний шар чистого металу - титану товщиною __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 3